CAN總線冗余的船舶監控系統設計方案

針對我國造船業的發展現狀和現有系統中存在的一些問題，提出一種基于冗余CAN總線設計的船舶監控系統。通過對CAN收發器的冗余，實現CAN總線物理層上的冗余，并在CAN總線上增加保護電路，最大可能地保證通信的可靠性。針對模擬通道的抗干擾設計方法，提出隔離式模擬量測量模塊的設計方法。

關鍵詞 模擬量隔離 CAN總線冗余設計 船舶監控系統 MC9S080Z16 TJA1050T

引言

　　近年來，我國的造船業取得了飛躍性的發展。據船舶工業統計快報報道，2007年，中國造船完工量1893萬載重噸，比上年增長30%；新承接船舶訂單9845萬載重噸，比上年增長132%。隨著自動化水平的提高，大大小小的船舶都安裝了監控系統。目前船舶自動監測系統主要有主從分布式控制、集散式控制等，但這些控制方式都存在系統結構復雜、控制集中等缺點。本監控系統采用了冗余CAN總線設計船艙自動監測系統，將傳統分布式監控系統中的控制功能下放到現場監控單元中，由分布于現場的各監控單元完成數據采集、處理、控制運算、輸出等工作。與上位機的信息交互通過現場總線進行。在計算機中以文字、列表、曲線等形式顯示現場的數據、變化趨勢、故障情況和報警狀態，為管理人員的操作提供可靠、準確的實時信息，從而實現實時監控。基于這種方式的監控系統是船舶自動監控系統的重要發展方向。

1 系統工作原理及功能

　　系統整體結構框圖如圖1所示，模擬量輸入板卡和數字量輸入板卡通過接插件連接到主控制器板上，由主控制器完成對數據的采集與轉換。主控制器將數據打包，發送到其他CAN節點，同時接收并解析其他節點發送來的數據，完成對現場模塊的控制。模擬量輸入板卡主要是對外部模擬信號進行濾波、隔離、調理，濾波后變成一個適合于單片機進行采樣的模擬電壓。其采集的模擬信號主要有兩種類型： 0~10 V的模擬電壓信號和4~20 mA的電流信號。這是工業現場中最常用的模擬信號。數字量輸入板卡主要采集外部開關量信號，完成開關量的隔離、濾波，然后送到主控制器完成對數字量的采集。其中模擬量的隔離輸入和冗余的CAN總線，是本設計比現有的一些基于現場總線的監控產品的先進之處。

圖1 系統結構框圖

2 硬件電路設計

2.1 主控制器選擇

　　為了減少外部器件，提高系統的穩定性，主控制器選用帶有片內A/D和CAN控制器的MC9S08DZ16。該單片機是Freescale公司2007年推出的一款高性能8位單片機；基于HCS08內核，最高運行時鐘頻率為40 MHz，最多支持32個優先級；內部集成有16 KB Flash存儲器，1 KB SRAM、512 B在線可編程EEPROM、1個12位的A/D轉換器，多種節電模式以及2種超低功耗停止模式，同時內部集成CAN2.0 A/B控制器以及多種標準串行接口。

2.2 CAN總線的電氣保護

　　船舶機艙中工況條件十分惡劣，各種電磁干擾對物理鏈路及數據鏈路的正常工作都有嚴重的影響。這些對控制系統是極大的威脅，非常容易導致系統癱瘓。為了最大程度地保證網絡系統正常工作，采取了以下兩種措施：第一種措施是電氣隔離。通信電纜是網絡系統中受干擾最大的部分，而且各種干擾也極容易順通信電纜進入系統，從而引起系統的工作不正常。為了切斷這條干擾途徑，保護CAN控制器，在CAN控制器與收發器之間增加了6N137，以進行光電隔離。

　　第二種措施是在總線上增加保護器件。當發生雷擊或其他強烈干擾時，巨大的能量如果來不及泄放，就會損壞收發器。為了防止干擾對收發器的損壞，增加了防雷管和TVS作總線保護。當受到雷擊時，并接在總線上的防雷管能將能量泄放掉。但是一般情況下，防雷管的反應速度慢，鉗位電壓高（約為800 V），因此本設計中，在防雷管后增加了TVS和PTC電阻。TVS能夠將總線的壓差鉗制在6.8 V以下，這樣當受到干擾時，TVS能較快地起到保護作用；而PTC電阻能保護收發器免受過流的沖擊。在CAN H和CAN L與地之間各自接一個30 pF的小電容，可以起到濾除總線上的高頻干擾和防電磁輻射的作用。CAN收發器電氣保護原理如圖2所示。

圖2 CAN收發器電氣保護原理

2.3 冗余CAN總線設計

　　雖然在設計時對CAN收發器采取了一些保護措施，但是在船舶機艙的電纜受拉、壓、砸、擠等而造成故障的情況卻很多，這就不是電氣保護所能解決的了。因此，為了降低此類風險以及各種原因引起的收發器的電氣損壞，最有效的方法就是實現CAN通信網絡的冗余。

　　在總線冗余處理上，可使用兩套總線，每一套都包含有完整的總線電纜、總線驅動器和總線控制器，或將總線控制器與CPU集成于一體的MCU。實現冗余有兩種方法： 一種是后備方式，即一套運行，另一套“休眠”備用，當運行總線發生故障時，啟用備用總線；另一種是同時運行方式，如果其中一套發生故障，另一套仍能維持系統的正常運行。這兩種方法的優點是同時實現了物理介質、物理層及數據鏈路層甚至應用層的全面冗余，因此，可以稱之為“全面冗余方法”。但全面冗余方法存在著某些不足之處，例如由于節點對系統的構成不敏感，因此，后備方式發現總線開路故障的能力和實時性較差，而同時運行方式下兩路同時工作功耗大，且數據鏈路的冗余較為復雜。本設計使用一種介于兩種方法之間的物理冗余技術。物理鏈路的冗余使用2條總線電纜和2個總線驅動器，且在總線控制器與2個總線驅動器之間增加了一個判斷電路